本發明屬于功能紡織品,具體涉及一種用于日常人體多點局部溫度連續監測的集總式溫度傳感芯彈紗及其制備方法。
背景技術:
1、皮膚溫度是一個重要的生理學和病理學指標,連續的皮膚溫度監測不僅可以反映豐富的高階用戶狀態,如認知負荷、壓力水平、情緒狀態等,而且可以診斷和預測疾病,例如足部潰瘍的早期監測、傷口的愈合初期狀態監測等。
2、現有用于人體溫度監測的方法包括:非接觸式皮膚溫度測量法和接觸式皮膚溫度測量法。非接觸式皮膚溫度測量法指利用水銀溫度計或紅外測溫儀進行體溫監測,這種測溫方法的局限性在于無法實現運動狀態下的人體溫度測量,且水銀溫度計測溫時間長、使用過程中汞泄露容易引發環境問題。接觸式皮膚溫度測量法指利用熱敏電阻或熱電偶進行體溫監測,這種溫度傳感器大多不是在紡織基材上制造的,作為直接與受傷皮膚接觸的溫度測量系統,舒適性較差。因此,基于紡織基材的柔性溫度傳感器受到越來越多的關注。
3、隨著科學技術的不斷發展,人們已經制造出具有柔性以及生物相容性的溫度傳感器,但是他們大多體積較大,無法實現局部多點測量。局部多點測量對于監測糖尿病人足潰瘍和久病臥床褥瘡的形成以及傷口護理具有重要意義,因為傷口區域多點的溫度變化差異是傷口感染的重要信號。
4、公開號為cn114532997a的中國專利公開了一種包括微結構的柔性溫度傳感器及制備方法,開發出了一種包含錐形微結構的柔性溫度傳感器,雖然該柔性溫度傳感器體積小,但是測量過程中需要將微結構刺入皮膚中以實現精準的溫度測量,屬于有創測量,因此不適用于受傷區域及日常皮膚溫度測量。
5、公開號為cn112781741a的中國專利公開了一種用于體溫區間的高靈敏度負溫度系數柔性傳感器及測溫方法,將具有等間距電極的氧化鋅材料集成至柔性膜基底(聚乙烯、聚丙烯等)形成溫度傳感器,柔性膜彈性、透氣透濕性差,且無法經受嚴苛的洗滌條件。
6、公告號為us10301751?b2的美國專利公開了一種電子功能紗線,包括安裝電子元件的多根載體纖維、沿紗線軸向伸直的導電金屬絲、圍繞芯層的填充纖維以及圍繞填充纖維的鞘層,由于伸直的金屬絲缺乏彈性,在拉伸或彎曲外力作用下容易發生斷裂,不可機洗,不滿足彈性內衣等存在大變形應用場景的紡織品的使用條件,而且連接每個電子元件兩極的伸直導電金屬絲沿紗線軸向分布在電子元件兩側,不利于在智能紡織品中集成應用時集中布線而接入外圍信號采集系統。
7、綜上可知,現有溫度傳感技術在面對基于服裝的體表溫度連續長時監測時,存在不適應局部多點溫度同步監測、隱蔽性及舒適度低、機械拉伸及彎曲應變耐受性弱的技術缺陷,應用場景受限,不滿足在日常活動過程中人體表分布溫度的連續無感監測。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種溫度傳感芯彈紗及其制備方法和應用,以解決現有技術中溫度傳感器體積大、無彈性,無法滿足日常連續動態體溫監測和局部多點溫度同步實時監測的技術問題。
2、本發明的目的可以通過以下技術方案實現:
3、一種溫度傳感芯彈紗,包括彈性長絲纖維,所述彈性長絲纖維的周側包纏有多根信號傳輸導線,所述信號傳輸導線上電性連接有若干個熱敏電阻芯片,若干個熱敏電阻芯片之間串接配置,所述熱敏電阻芯片的周側封裝設置有圓柱體的封裝結構,所述封裝結構的外側包覆設置有保護纖維網。
4、進一步地,所述彈性長絲纖維為低旦橡膠彈性纖維或聚氨酯彈性纖維,兩者具有較高的彈性和優異的拉伸回復率。
5、進一步地,所述信號傳輸導線為直徑不大于0.07mm的導電金屬絲漆包線。由于導電金屬絲漆包線在小曲率半徑彎、扭時易脆折,且防止漆包線表面破裂的最小曲率半徑與纖維直徑成正比,與纖維的斷裂伸長率成反比,因此選用直徑不大于0.07mm的導電金屬絲漆包線。優選地,所述導電金屬絲漆包線選用線電阻和電阻溫度系數均較低的材料,較低的線電阻和電阻溫度系數對溫度傳感芯彈紗的影響基本可以忽略不計。
6、進一步地,所述熱敏電阻芯片為亞毫米尺寸的負溫度系數貼片式熱敏電阻器;本發明選用的熱敏電阻芯片具體為10kω0402負溫度系數貼片式熱敏電阻器(長1mm,寬0.5mm,高0.5mm),具有體積小的優點,可實現體表單點溫度測量;當多個熱敏電阻芯片串接配置時,形成串珠分布,能夠滿足毫米范圍內的多點體表溫度測量;優選地,能夠進一步選用尺寸更小和性能更優的貼片式熱敏電阻器,均在本發明的保護范圍之內。
7、進一步地,所述串接配置為若干所述熱敏電阻芯片的負極電性連接至同一根信號傳輸導線上,若干熱敏電阻芯片的正極分別電性連接至一根信號傳輸導線,形成串珠集總式結構;該種結構不僅能夠高效采集各個熱敏電阻芯片的溫度響應數據,而且還能減少信號傳輸導線的用量,進而保持了溫度傳感芯彈紗的柔軟性。
8、進一步地,所述封裝結構的直徑不超過1mm,長度小于1.5mm;可以選用外形尺寸更小的熱敏電阻芯片,從而進一步縮小封裝結構的外形尺寸;所述封裝結構使用的彈性封裝材料為紫外固化聚氨酯丙烯酸酯(pua)。
9、進一步地,所述保護纖維網由若干根耐磨且導熱系數大的絕緣纖維組成,所述絕緣纖維優選為錦綸纖維。由于錦綸導熱系數大且編織以及針織形成的孔隙有利于熱傳遞,所以外層保護套對溫度傳感芯彈紗響應時間的影響較小。
10、一種溫度傳感芯彈紗的制備方法,包括以下步驟:
11、步驟s1、將彈性長絲纖維和信號傳輸導線分別導入包纏機的進料口,通過包纏機將信號傳輸導線螺旋包纏至彈性長絲纖維上,形成導電彈性包纏紗;所述螺旋的節距為金屬絲直徑的2-4倍;
12、步驟s2、將導電彈性包纏紗中信號傳輸導線的端部去漆,然后向去漆后的信號傳輸導線端部涂抹適量低溫焊接錫膏,通過熱壓焊接設備將多根信號傳輸導線與若干熱敏電阻芯片焊接固定,得到感溫彈性包纏紗;
13、步驟s3、將感溫彈性包纏紗焊接有熱敏電阻芯片處放置于封裝模具中,所述封裝模具為直徑2mm,長度4mm的中空圓柱體,然后向封裝模具中填充彈性封裝材料,固化完成后形成封裝結構,得到封裝后的感溫彈性包纏紗;封裝結構將信號傳輸導線與熱敏電阻芯片的焊接點以及熱敏電阻芯片本身置于其內,作為溫度感應區域;
14、步驟s4、將多根絕緣纖維在封裝后的感溫彈性包纏紗外通過編織或包纏的方式形成保護纖維網,得到溫度傳感芯彈紗。
15、進一步地,所述熱壓設備的溫度設置為170℃,熱壓時間為10s。
16、一種溫度傳感芯彈紗在人體溫度監測織物方面的應用,具體為人體溫度監測腕帶。
17、本發明的有益效果:
18、本發明制得的溫度傳感芯彈紗的彈性拉伸比不低于50%,最大直徑小于1.1mm,具有靈敏度高、微型化、局部分布溫度同步測量以及舒適性高等優點,其中多根信號傳輸導線包纏彈性長絲纖維形成的導電彈性包纏紗,有效解決了現有溫度傳感紗的信號傳輸線的抗應變性能和耐洗性差以及彎曲剛性大的問題,同時克服了多點溫度同步檢測時存在信號傳輸布線復雜的技術難題;具體優點如下:
19、1、本發明制得的溫度傳感芯彈紗的單個溫度感應區域小,可實現低至毫米精度區域的體溫測量;還能在幾毫米長度內集成多個熱敏電阻芯片,而實現相應尺度的多點分布溫度監測,實現體表亞厘米內多點溫度同時測量;用于人體溫度監測時靈敏度高,溫度閾值低至0.5℃,具有毫秒級快速響應特性;
20、2、本發明制得的溫度傳感芯彈紗的直徑細,與大多服裝縫線相當,隱匿性好,穿著無感,且可采用傳統的織造方法加工成織物,兼具柔性與舒適性;
21、3、本發明制得的溫度傳感芯彈紗的彈性優異,可抵抗日常穿著以及洗滌過程中的機械應力,發明人采用工業機洗程序洗滌15次后未發生功能失效,封裝結構能夠有效的保護內部熱敏電阻芯片抵抗洗滌過程中的化學侵蝕,具有實際應用價值。